基于模糊PID控制器的汽車雨刮系統(tǒng)的研究

趙 巖，張春晶

（黑龍江科技學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，哈爾濱 150027）

0 引言

模糊控制不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型，而是運用模糊理論將人的經(jīng)驗知識、思維進(jìn)行推理，控制過程的方法與策略由所謂模糊控制器來實現(xiàn)。模糊控制對那些難以獲得數(shù)學(xué)模型或模型非常粗糙的工業(yè)系統(tǒng)有獨特優(yōu)勢。傳統(tǒng)的PID控制技術(shù)已經(jīng)比較成熟，結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定可靠，但也存在一些不足。例如，無法有效克服負(fù)載參數(shù)的大范圍變化和非線性因素對系統(tǒng)造成的影響，因而，不能滿足高性能、高精度的要求。因此，模糊控制理論在工業(yè)控制領(lǐng)域中能發(fā)揮重要作用。我們采用參數(shù)自整定模糊PID控制器，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器，就是將模糊控制中模糊推理的思想和常規(guī)的PID控制結(jié)合起來，將誤差和誤差變化率作為模糊推理機的輸入，然后對PID的3個參數(shù)進(jìn)行在線自整定。這樣可以取得較好的控制效果。

1 工作原理

本文設(shè)計的雨刮器是采用具有高速和低速兩個檔位的雨刮電機來同時控制兩個雨刮，雨刮器不工作時，兩個雨刮都停在風(fēng)擋玻璃的中間，即雨刮電機復(fù)位位置。我們用PIC單片機來控制整個系統(tǒng)，當(dāng)PIC16F873的 RA0口檢測到紅外線雨滴傳感器的信號時，即有雨滴落在風(fēng)擋玻璃上，兩個雨刮就分別左右擺動，當(dāng)小雨時，雨刮器工作在低速擋，當(dāng)大雨時，雨刮器工作在高速擋。由于生產(chǎn)工藝的問題，兩個雨刮電機的轉(zhuǎn)速不可能完全一樣，就會存在兩個雨刮擺動不同步的問題。用電機的復(fù)位信號來檢測兩個雨刮運動的快慢，哪個雨刮先到復(fù)位位置，說明它快，通過單片機的PWM口（RC1和RC2），對快的進(jìn)行斬波。雨刮每運行一個周期比較一次，哪個先到復(fù)位位置就對哪個斬波，直到兩個雨刮無論在低速狀態(tài)還是高速狀態(tài)，都達(dá)到同步擺動[1]。系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

圖1 汽車雨刮系統(tǒng)方框圖

2 模糊控制原理

在汽車雨刮系統(tǒng)中，有許多非線性因素都會對雨刮同步造成影響。這樣，我們就需要用人的經(jīng)驗知識來調(diào)整PWM信號的占空比。使兩個雨刮同步擺動。因此，考慮將PID控制算法的實用性與模糊控制算法的智能性相結(jié)合，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，研究一種參數(shù)自整定模糊PID控制器對汽車雨刮控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。可以減小系統(tǒng)的振蕩性、超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間，提高系統(tǒng)總體控制效果的性能指標(biāo)。典型的模糊自整定PID控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 參數(shù)自整定模糊PID控制器結(jié)構(gòu)圖

模糊控制器是模糊控制的關(guān)鍵，本模糊控制器的輸入語言變量是兩個雨刮到達(dá)復(fù)位位置的時間偏差絕對值|E|和時間偏差變化率絕對值|EC|，輸出語言變量是PID參數(shù)KP、KI、KD，輸入、輸出語言變量的語言值分別為負(fù)大（NB）、負(fù)中（NM）、負(fù)小（NS）、零（ZE）、正小（PS）、正中（PM）、正大（PB），其隸屬度函數(shù)為三角形。解模糊化（defuzzification）采用加權(quán)平均的重心法[2]。

模糊控制設(shè)計的核心是總結(jié)設(shè)計人員的技術(shù)知識和實際操作經(jīng)驗，建立合適的模糊規(guī)則表。下面根據(jù)參數(shù)KP、KI和KD對系統(tǒng)輸出特性的影響情況，在不同的|E|和|EC|時，被控過程對參數(shù)KP、KI、KD的自整定要求為：1）當(dāng)誤差|E|較大時，為加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，應(yīng)取較大的KP；同時為了避免系統(tǒng)在初始時，由于誤差的瞬時增大可能出現(xiàn)的微分飽和而使控制作用超出允許的范圍，此時，應(yīng)取較小的KD。同時，為了防止系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，產(chǎn)生積分飽和，對積分作用應(yīng)加以限制，所以，此時應(yīng)取KI=0。2）當(dāng)誤差|E|適中時，為使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)，應(yīng)取稍小的KP；此時KD的取值對系統(tǒng)的影響較大，所以KD的值要大小適中，以保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度。同時，可增加一些積分對控制的作用，KI太大，易造成積分飽和，太小不能加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，所以KI取值要適當(dāng)。3）當(dāng)誤差|E|較小時，為使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能，應(yīng)取較大的KP、KI；同時為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近產(chǎn)生振蕩，KD值的選擇非常重要。一般情況下：當(dāng)|E|較小時，KD可取大些，當(dāng)|E|變大時，KD可取小些[3]。

由以上分析和語言變量的定義，我們可以總結(jié)出KP、KI、KD的自調(diào)整規(guī)則，分別如表1，表2，表3所示。

表1 KP調(diào)整規(guī)則表

表2 KZ調(diào)整規(guī)則表

表3 KD調(diào)整規(guī)則表

3 仿真實驗分析

在工業(yè)過程中，二階對象是很普遍的，為了不失一般性，我們?nèi)?作為雨刮系統(tǒng)的模型。我們使用與 MATLAB 具有交互編程功能的 Simulink 軟件包，仿真結(jié)果如圖3所示[4]，可以看出與PID控制器和常規(guī)模糊控制器相比較，參數(shù)自整定模糊PID控制器具有調(diào)節(jié)速度快，超調(diào)量小，控制精度高等特點。

圖3 系統(tǒng)響應(yīng)曲線

4 結(jié)論

本文仿真實現(xiàn)了一個基于參數(shù)自整定模糊PID控制器的汽車雨刮系統(tǒng),其特點是在常規(guī)PID調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上，應(yīng)用模糊集合理論建立PID參數(shù)、、同誤差絕對值、誤差變化絕對值之間的調(diào)整規(guī)則，并根據(jù)系統(tǒng)的誤差、誤差變化率實時整定PID參數(shù)的一種模糊控制器。這種控制方法較之常規(guī)的固定模糊控制規(guī)則的模糊控制方法,對環(huán)境變化有較強的自適應(yīng)能力，可以更好地提高系統(tǒng)的控制性能。

[1] 李學(xué)海.PIC單片機[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004,236-240.

[2] 廉小親.模糊控制技術(shù)[M].北京:中國電力出版社,2003,32- 52.

[3] 諸靜.模糊控制原理與應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社,1995,194-239.

[4] 聞新,周露,李東江.MATLAB模糊邏輯工具箱的分析與應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2001,112-128.